海上自升式修井作業平臺的設計探討

秦曉棟 李鳴夫 （中國石油集團海洋工程有限公司，天津 300451）

隨著海洋勘探開發范圍的越來越大，其工作水深逐漸增加，這就給海上修井作業帶來了一定的困難，傳統的坐底式平臺已經滿足不了海洋勘探開發修井作業的需求，自升式平臺便應運而生，它通過可升降裝置實現海上修井作業，對海洋勘探開發事業的發展有著重要的貢獻。

1 海上自升式修井作業平臺的工作原理

1.1 電動液壓升降裝置

要實現海上修井作業就必須實現樁腿的升降，海上自升式修井作業平臺的工作原理是通過液壓缸活塞桿的伸縮運動帶動樁腿的升降運動，從而實現海上修井作業。液壓缸中活塞桿的伸縮運動能夠帶動橫梁的上下運動，通過鎖銷將橫梁和樁腿緊緊地鎖在一起，從而實現了樁腿的升降運動。其中，樁腿上設有銷孔，銷孔中插有銷子，同時裝腿上還設有齒塊，通過齒塊與銷子互相咬合，以此來帶動樁腿的升降，依據此原理，在液壓缸活塞桿伸展與收縮的過程中，就能實現樁腿的上升與下降，實現海上修井作業。

1.2 電動齒輪條式升降裝置

電動齒輪條式升降裝置的主要原理是利用電能帶動齒輪的轉動，使齒輪與平臺的樁腿的齒條互相咬合，從而實現樁腿的升降，這種方式升降效率高并且具有持續性的特點，但是其依賴于復雜的變速機構，體積較大，對各種材料的要求比較嚴格，一般用于深水自升式平臺。

2 自升式平臺的構成和型式選擇

2.1 自升式平臺結構的構成

自升式平臺的結構構成主要有：①樁腿：樁腿的主要作用就是完成平臺整體的升降，使之能夠上升到海面上，實現海上修井作業；②平臺：平臺主要提供工作人員修井作業的工作場地和日常生活場地，并且在遷航的過程中提供穩定的浮力，保證遷航的順利；③固樁結構：顧名思義，固樁結構就是將樁腿與平臺牢牢的固定在一起，形成一個整體，這樣平臺所承受的載荷就能通過樁腿傳達到海底地基上，固樁結構主要包括固樁塊、固樁架等設備[1]。

2.2 平臺結構型式的選擇

平臺型式的選擇主要有以下幾個依據：①根據工作水深進行選擇：如若工作水深較深，應選擇桁架式樁腿，如若水深較淺則要選擇殼體式樁腿；②根據海地土壤條件進行選擇：根據海底土壤條件的松軟不同分別選擇插樁式樁腿或整體沉淀樁腿或樁靴式樁腿。樁腿數目的選擇也十分重要，這直接影響著平臺的結構構成，傳統的自升式平臺樁腿三個月目較多，6-14根不等，就目前來看，常用到的有三樁腿和四樁腿，三樁腿搭配三角形平臺，四樁腿搭配矩形平臺。

3 設計工況和設計載荷

3.1 作業工況

是指在正常情況下，平臺升至海面，進行修井作業的工作狀態。其載荷有靜載荷和環境載荷兩種，靜載荷包括：平臺重量、供應品、壓載、固定裝置、作業載荷等，其環境載荷包括最大風、海流、海床支持力、波浪載荷等。

3.2 遷航工況

不抄過12小時的遷航為普通遷航，在風暴中的遷航稱為風暴遷航，在遷航過程中除了要考慮靜載荷和環境載荷之外，還要考慮平臺浮力，遷航中平臺因搖擺、漂移等產生的慣性，拉力和傾斜重力等因素，遷航對風速也有一定的要求，一般來說，在風速大于36m/s時進行普通遷航，在風速大于51.5m/s時進行風暴遷航。

3.3 升降工況

平臺的升降是實現海上修井作業的關鍵，平臺的上升分為4個步驟：①降樁：將樁腿降到海底地面上；②插樁：將樁腿插入海底土壤中，③預壓：進行預壓措施，衡量插入情況；④升臺：將平臺升至海面上。根據平臺上升的步驟，我們可以得出，平臺下降的步驟有降臺、拔樁、升樁工況。自升式平臺的升降工況除了要考慮靜載荷和環境載荷之外還要考慮在平臺升降的過程中對樁腿產生的力。

3.4 自存工況

自存工況指的是在一些極端的自然環境條件下，平臺已不能正常作業，且威脅到平臺以及平臺工作人員的安全，可以選擇適當減少可變載荷，拋棄非固定載荷，以保證平臺及其工作人員的安全，靜載荷中平臺重量、固定裝置、壓載重量是保證平臺運行的基本載荷。

4 樁腿長度及升船高度的設計

4.1 樁腿長度的設計

樁腿的長度設計是海上自升式修井作業平臺設計的關鍵，其樁腿的長度關系到平臺能否升至海面進行正常作業，樁腿長度設計公式如下：

在以上樁腿長度設計公式中，L代表所要設計的樁腿長度。

h1代表樁腿入土深度，樁腿入土深度與海底土壤狀況、載荷、樁腿大小、整個自升式平臺的結構型式有關；h2代表最大工作水深；h3代表水面以上波峰高度；h4代表平臺底部到波峰的高度；h5代表平臺型深；h6代表固樁架的高度；h7為余量，根據樁腿結構以及樁節距確定的富余高度。由此可見，以樁腿的長度要綜合多方面因素進行考慮。

4.2 升臺高度的設計

在進行海上修井作業時，要保證作業正常，平臺應上升一定高度，這個高度成為升臺高度，升臺高度應充分考慮作業海域、季節以及海面狀況等自然因素，還應考慮波峰以及波峰距平臺底部的高度。

5 結語

綜上所述，本文簡單研究了海上自升式修井作業平臺的一些概況，隨著海洋勘探開發規模的增大，海上自升式修井作業平臺的重要性也越來越大，如何在保障安全的基礎上，提升修井作業效率是今后海上自升式修井作業平臺的發展趨勢。

[1]潘斌，高捷.試論建立移動式鉆井平臺法律體系的重要性[J].中國海洋平臺，2003（4）.

[2]孟昭瑛，任貴永.海上自升式平臺工作原理和基本特性[J].中國海洋平臺，1994，9（6）：167-170.